Topografía corneal mediante discos de Plácido. Estrategias de

Artículo científico
Topografía corneal mediante
discos de Plácido. Estrategias de
optimización de la estimación topográfica
› Francisco Javier Vivó Sánchez
O.C. 15.362
DOO, Máster en Optometría y Ciencias de la Visión
› José Luis Garrido Tundidor
DOO, Máster en Optometría y Ciencias de la Visión
O.C. 16.310
Los topógrafos corneales basados en la reflexión de los discos de Plácido generan distintos mapas topográficos a partir de la imagen reflejada en la superficie anterior corneal. La precisión de estos dispositivos
puede verse afectada por distintos factores, que obedecen tanto al proceso matemático empleado como
a ciertas variables fisiológicas.
En este trabajo se ha realizado una revisión de los distintos agentes que pueden afectar a la precisión y
exactitud de las estimaciones topográficas proporcionadas por estos dispositivos, así como de distintas
estrategias que posibilitan su optimización.
Palabras clave
Topografía corneal, estimación topográfica, detección de bordes, interferencias.
Introducción
a topografía corneal ha contribuido a la
mejor comprensión y evaluación de las
características topográficas de la córnea.
La selección de pacientes candidatos a
cirugía refractiva1,2, la detección y seguimiento de ectasias corneales1,3,4, el seguimiento de los pacientes que se han sometido a
cirugía refractiva3,5 y ortoqueratología3, la simulación
virtual de lentes de contacto3 o la evaluación de la película lagrimal6-9 figuran como algunas de sus aplicaciones, que facilitan a día de hoy la labor clínica del
óptico-optometrista.
L
nº 457
Los topógrafos corneales basados en la reflexión de los
discos de Plácido reconstruyen la topografía corneal a
partir del análisis de la imagen reflejada sobre la cara
anterior de la córnea dando lugar a distintos mapas
topográficos.
La habilidad para reproducir la topografía corneal
de este tipo de instrumentos está condicionada por el
método utilizado para procesar matemáticamente la
imagen reflejada, así como otros factores propios del
instrumento, como pueden ser la distancia de trabajo y
el alineamiento axial10. También se han de considerar
elementos propios de la anatomía ocular que pueden
afectar a la adquisición de la imagen, la cual será ana-
ÓPTICA
lizada posteriormente, y que tendrán un
impacto en el resultado final de la estimación topográfica. Algunas de estas variables fisiológicas responden a déficits de la
película lagrimal, reflejos de la nariz o las
pestañas o presencia de mucina11.
El presente trabajo tiene por objetivo
revisar los distintos factores que afectan
a la precisión y exactitud de los mapas
topográficos proporcionados por estos
dispositivos, así como conocer distintas
estrategias que contribuyen a la optimación de la estimación topográfica.
La exactitud hace referencia al grado de
concordancia entre el resultado obtenido
y el valor de referencia, y el concepto precisión obedece al grado de concordancia
entre resultados obtenidos en distintos
ensayos y condiciones estipuladas12.
Conocer aquellos factores que suceden
en situaciones de captura no ideales y que
afectan a la fiabilidad de estos instrumentos permite tener una mayor capacidad de
análisis en el reconocimiento e interpretación de patrones topográficos obtenidos
en condiciones de medida no deseables.
Caracterización
matemática de
superficies mediante
topografía corneal
En el caso de los topógrafos basados en
los discos de Plácido, diferentes algoritmos relacionan la forma de la córnea,
determinando la posición donde se encuentran los puntos de transición entre
anillos continuos (blancos y negros) de
las imágenes de los discos reflejados sobre las superficies que se evalúan13,14.
Algunos de estos algoritmos generan los
distintos mapas topográficos a través del
procesamiento de imágenes con técnicas de detección de bordes. Estos métodos de detección de bordes responden a
principios de segmentación de imágenes,
que se caracterizan por la división de la
imagen en sus partes constituyentes hasta un nivel de subdivisión en el que se aíslan las regiones u objetos de interés15. Las
técnicas de detección de bordes se basan
en propiedades de discontinuidad, en las
que la imagen es dividida en función de
los cambios bruscos de niveles de grises.
De modo general, los pasos fundamentales en la detección de bordes son:
OFTÁLMICA
› Realizar un suavizado de la imagen
para reducir el ruido. La suavización
de la imagen evita que se sobre-detecten los bordes.
› Detectar posibles candidatos a ser puntos de borde.
› Seleccionar, de entre los candidatos,
aquellos puntos que pertenecen realmente al borde.
Así, por ejemplo, algunos equipos utilizan en la reconstrucción de imágenes
estas técnicas de detección de bordes. A
través de un filtro digital y métodos de
convolución, se encuentra una función
matemática en la que sus máximos y mínimos relativos representan la posición
más probable de los bordes. El topógrafo, a partir del análisis de las distintas intensidades de luz (escalas de grises)
formadas por un gran número de píxeles, identifica la posición de cada uno de
los bordes de los anillos reflejados con el
píxel que más probablemente representa
un cambio de negro a blanco16.
La imprecisión de algunos topógrafos
basados en los discos de Plácido en la
medición de ciertas superficies puede
ser atribuible a las aplicaciones de estas
técnicas de detección de bordes17. Carvalho y Bruno18 constataron que en la
evaluación del radio de curvatura de una
superficie determinada se producen variaciones en la precisión de distintos algoritmos basados en técnicas de segmentación y detección de bordes para el procesamiento de las imágenes de Plácido.
Recientemente, Florindo et al.19 han comparado la precisión de un nuevo algoritmo
basado en técnicas de segmentación respecto a otros utilizados tradicionalmente
en la detección de bordes. Sus resultados
reflejan que el algoritmo de MumfordShah presenta mejores prestaciones en la
determinación del radio de curvatura de
distintas esferas de calibración como consecuencia de su elevada exactitud en la
discriminación de los puntos de transición
entre los distintos anillos reflejados. Además, con la aplicación de este algoritmo
se consigue una elevada precisión en la
eliminación del ruido que puede aparecer
en la señal de origen.
El rendimiento de los distintos algoritmos utilizados en estos dispositivos también es consecuencia del diseño de la suMarzo 2011
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Topografía corneal mediante discos de Plácido.
Estrategias de optimización de la estimación topográfica
perficie evaluada17, 20. Se ha comprobado
que los topógrafos corneales pueden presentar más problemas cuando definen
superficies inertes asféricas, oblatas o
irregulares en lugar de superficies esféricas21. Asimismo Tang et al.17, al evaluar
la precisión y exactitud de tres topógrafos, constataron que los peores resultados
se obtuvieron en la caracterización de
superficies con diseños bicurvos. Estos
diseños intentan simular aquellas córneas que han sido sometidas a procesos
ablativos de cirugía refractiva o condiciones patológicas como el queratocono.
Precisamente, de los resultados obtenidos en distintas experiencias científicas
se desprende que uno de los principales
retos de los topógrafos reside en la caracterización de córneas con queratocono,
ya que las estimaciones topográficas en
este tipo de superficies parecen ofrecer
menos repetibilidad y fiabilidad22-24.
Factores relacionados
con las condiciones de
medida
La precisión en la estimación topográfica proporcionada por los topógrafos
también se puede ver afectada por la dinámica natural del ojo y las características de la superficie corneal anterior. De
este modo, es de esperar que su precisión con superficies inertes sea superior
a la que encontramos trabajando con
ojos reales25.
Así, por ejemplo, el no alineamiento axial
puede afectar a la exactitud de los mapas
topográficos, de modo que se pueden
producir errores significativos si existe
un descentramiento del ápex corneal en
el momento de realizar la medida26. La
magnitud del error puede verse afectada
por la distancia de trabajo de los diferentes equipos, ya que las distancias de trabajo más pequeñas pueden incrementar
el error. Por este motivo, los diferentes
instrumentos disponen de mecanismos
para asegurar el alineamiento y, así, evitar errores significativos y obtener un
alto grado de exactitud y precisión21.
Los cambios en la posición de la cabeza y
la inestabilidad de la fijación son otra posible fuente de error27, así como los problemas de medición debidos a las sombras producidas por la nariz y las pestañas del paciente25. Cuando el paciente
nº 457
Figura 1. Influencia de los párpados en la evaluación topográfica. Se observan
las diferencias de curvatura (de 7.55 mm a 8.00 mm) analizada por el topógrafo
de un mismo punto de la córnea según sea el posicionamiento de los párpados.
tenga dificultades para fijar un punto
de fijación o controlar sus movimientos
oculares, como es el caso del nistagmus,
puede ser más efectivo el uso de la topografía de alta velocidad28. La fijación
excéntrica puede dar como resultado patrones topográficos asimétricos. Además,
pueden presentarse patrones topográficos de pseudoqueratocono en algunos
pacientes con córneas normales debidos
a la desviación de fijación25.
Los pacientes con una fijación normal estabilizan la mirada a través de la acción
de diferentes movimientos oculares, entre
los que se encuentran los microsacádicos
(movimientos involuntarios que suceden
durante la fijación, de baja frecuencia y
amplitud de 5´ de arco), drifts (micromovimientos de fijación de naturaleza involuntaria con una velocidad de 0,1º/seg) y
tremor (minúsculos movimientos de temblor o fijación que aparecen durante las
fijaciones, de frecuencia alta y amplitud
media de 30’’ de arco). Estos movimientos pueden incrementarse en pacientes
con baja agudeza visual. Se han propuesto algunos métodos para minimizar el
efecto de estas microfluctuaciones oculares y, por tanto, incrementar la precisión
de la topografía. Estas técnicas se basan
en la realización de múltiples medidas
para un mismo sujeto con el fin de co-
ÓPTICA
OFTÁLMICA
pendientes los mapas de elevación en la
evaluación de córneas sanas y afectadas
de queratocono, y la acomodación fue
inducida por distintos estímulos acomodativos. A pesar de no encontrar diferencias de elevación significativas, observaron rotaciones en los mapas topográficos
de casi 4 grados como consecuencia de
ciclotorsiones que se producen durante
la acomodación.
Figura 2. Comparativa de la imagen CCD (Charged Couple Device) y mapa de
curvatura de un mismo ojo entre una topografía tomada con una película lagrimal
estable (imagen superior) y otra tomada una vez que la película lagrimal deja de
ser estable (imagen inferior). Señalamos las discontinuidades (interferencias) que
aparecen en la imagen inferior.
nocer y minimizar el efecto prismático y
cilíndrico inducido por las cicloversiones
oculares que puedan producirse25. Sin
embargo, los movimientos longitudinales
del ojo que pueden producirse durante la
captura topográfica no parecen afectar
a la curvatura corneal29, 30. Estos movimientos tienen como resultado pequeñas
variaciones en la distancia entre el ápex
corneal y el instrumento, y parecen estar
relacionados con el sistema cardiopulmonar30-32.
También se ha evaluado el efecto producido por la presión intraocular (PIO) y
la acomodación en la superficie corneal.
En un experimento “in vitro”, Hjortdal33
estudió la manera en que la PIO impacta
sobre la curvatura corneal. Sus resultados reflejaron un aumento de la curvatura corneal hacia la periferia al aumentar
la PIO. Sin embargo, los cambios sólo
fueron significativos en áreas periféricas. En el estudio del efecto que puede
producir la acomodación, los resultados
obtenidos en diferentes experiencias
científicas no son coincidentes. Yasuda
y Yamaguchi34 estimaron el efecto producido por la contracción del músculo
ciliar inducida farmacológicamente con
pilocarpina, observando una disminución en la curvatura corneal. Buehren
et al.35 consideraron como variables de-
Asimismo, las topografías corneales
obtenidas a través de las imágenes de
Plácido pueden dar errores cuando las
córneas presentan cambios topográficos
repentinos que pueden aparecer cuando
existen cicatrices, úlceras o suturas o tras
cirugía refractiva. Este hecho se debe a
que bajo estas circunstancias las imágenes de los anillos reflejados tienden a
fusionarse unos con otros y pueden ser
difíciles de distinguir36.
La imprecisión del instrumento también
puede verse incrementada según sean la
lágrima y la acción de los párpados.
En el estudio de la variable que constituye la acción de los párpados, se ha
examinado la magnitud de los cambios
topográficos corneales inducidos por los
párpados tras realizar tareas de lectura.
Así se han comprobado cambios dióptricos en la superficie corneal inmediatamente después de realizar este tipo de
tareas, siendo su efecto acumulativo, ya
que aumentan con el tiempo de lectura.
Asimismo, la localización física de estos
cambios se correlaciona con la posición
adoptada por los párpados durante la
lectura37.
El efecto que puede producir la acción
de los párpados en la topografía corneal
se ilustra en la Figura 1, donde una
apertura palpebral reducida o la tensión
palpebral pueden inducir un encurvamiento en las zonas próximas al borde
palpebral superior.
Respecto a la película lagrimal, esta varía
inmediatamente después del parpadeo.
A continuación exhibe un periodo de
estabilidad y, finalmente, se rompe si el
ojo permanece abierto durante un cierto
tiempo. La estabilidad y las propiedades
de la lágrima tras el parpadeo afectan
al patrón de aberraciones de la cara externa de córnea y, por tanto, pueden inMarzo 2011
Topografía corneal mediante discos de Plácido.
Estrategias de optimización de la estimación topográfica
Artículo Científico
fluir en el resultado final de la topografía
corneal, ya que los discos de Plácido se
reflejan en la superficie lagrimal. Esta
influencia será mayor en aquellos casos
en que el paciente presenta ojo seco27.
Para conseguir que el factor de la lágrima sea menos determinante en el momento de captar la topografía corneal
se han desarrollado técnicas de alta
velocidad. Esta técnica proporciona información de los cambios dinámicos de
la topografía corneal y del comportamiento de la película lagrimal. De esta
forma se puede evaluar la estabilidad
lagrimal antes y después del parpadeo,
así como entender cómo la posición de
los párpados puede alterar la forma de
la córnea. Mediante las técnicas dinámicas de alta velocidad se puede conocer el comportamiento de la película
lagrimal después del parpadeo natural,
sin necesidad de que este sea forzado28.
Diferentes estudios han evaluado los
cambios que se producen en la lágrima
durante un cierto tiempo después del
parpadeo (forzando el no parpadeo).
Los resultados obtenidos reflejan que
para pacientes normales la topografía
en la zona central corneal (4 mm centrales) es relativamente estable entre
parpadeo y parpadeo, y que las variaciones más significativas se encuentran
en las zonas periféricas superior e inferior (8 mm), áreas que se encuentran
más condicionadas por la presión de
los párpados25. Zhu et al.30 han observado que, después de parpadear y
durante medio segundo, los mapas de
elevación topográficos experimentan
un incremento significativo en la parte
superior y una disminución en la región inferior, exhibiendo una topografía relativamente estable pasados 2 o 3
segundos del parpadeo. Sugieren que
en la práctica clínica las mediciones
con topógrafo se realicen entre 1 y 4
segundos después de parpadear para
evitar las posibles variaciones debidas
a la estabilización de la película lagrimal. Otros autores recomiendan realizar la medida de forma sistematizada
pasados 5 segundos del parpadeo38, 39.
En la imagen superior de la Figura 2
observamos la correcta reflexión de los
discos de Plácido sobre una córnea regular y con una distribución uniforme
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de la película lagrimal. En la imagen
inferior de la misma figura, se aprecia
el efecto de la inestabilidad de la película lagrimal para la misma superficie
observando interferencias en el patrón
de reflexión. Estas interferencias motivan a su vez diferencias en el mapa de
curvatura debidas a la discontinuidad
de los anillos reflejados.
Existen otros métodos, como el Tear
Stability Analysis System (TSAS), que
utilizan el topógrafo como método objetivo y no invasivo para valorar la estabilidad de la lágrima8.
Recientemente se han propuesto distintos algoritmos basados en técnicas de
imagen para gestionar las interferencias
que pueden aparecer en la imagen captada por estos dispositivos. Estos patrones de interferencia obedecen a déficits
de lágrima artificial, reflejos de pestañas y presencia de mucina, afectando
al patrón de anillos reflejados en la superficie anterior corneal analizado para
generar los distintos mapas topográficos. La Figura 3 muestra un patrón de
interferencias por presencia de mucus y
reflejo de pestañas que afecta a los anillos reflejados del segmento superior.
Con la aplicación de estos algoritmos
se persigue identificar de manera objetiva aquellas áreas de interferencia
para no tenerlas en cuenta en la estimación topográfica o intentar reducirlas, siendo el objetivo final disponer de
estimaciones más certeras.
Alonso-Caneiro et al.11 han propuesto un algoritmo basado en técnicas de
segmentación para detectar las zonas
de interferencia y eliminarlas del análisis topográfico. Tras dividir la imagen
en blocs con un tamaño determinado
de píxeles (suficiente para contener un
trozo de anillo reflejado), se aplica un
filtro de Gabor para establecer si cada
uno de los blocs presenta una orientación específica. Cuando el trozo de
anillo reflejado contenido en un bloc
está afectado por interferencias, su
orientación es inespecífica y, por tanto, la respuesta tras aplicar el filtro de
Gabor es mínima. Finalmente, a partir de un valor umbral se segmenta la
imagen, identificando los blocs que
responden a áreas de interferencia.
ÓPTICA
OFTÁLMICA
Conclusiones
Figura 3. Interferencia producida por presencia
de mucus. Se observa la alteración de la reflexión
de los discos de Plácido. También se observa
cómo el reflejo de las pestañas puede afectar a
la imagen CCD captada por el topógrafo corneal.
La principal limitación observada con
esta técnica es la disminución del área
de análisis. En respuesta a este inconveniente, Alkhaldi et al.40 han diseñado
otro algoritmo basado en técnicas adaptativas y operadores morfológicos, que
permite mejorar el rango operacional
de los topógrafos y la estimación topográfica. Los filtros adaptativos trabajan
de manera selectiva. Así, permiten reducir el ruido de la imagen y suavizar
las variaciones de niveles de gris que
pueden existir en las zonas delimitadas
entre los bordes que forman los anillos
reflejados. Sin embargo, su actuación es
mínima en las áreas locales de borde.
Esta circunstancia preserva los bordes
que delimitan cada uno de los anillos
reflejados que permiten generar los distintos mapas topográficos.
Adicionalmente, se están aplicando
técnicas de procesamiento de imágenes
en topografía para evaluar la calidad
de la película lagrimal de manera no
invasiva. Así, por ejemplo, a través del
algoritmo de Marr-Hildreth basado en
técnicas de detección de bordes, se ha
evaluado el tiempo de ruptura lagrimal
a partir del recuento de interrupciones
que aparecen en los anillos reflejados
de la imagen tratada6. También se ha
estimado la película lagrimal a partir de
la evaluación de la orientación de los
anillos que aparece en el patrón reflejado7.
Finalmente, otros algoritmos permiten,
a través de técnicas de segmentación,
discriminar las interferencias debidas a
un déficit lagrimal de las que responden
a otras interferencias, como son las producidas por el reflejo de las pestañas41.
La topografía corneal nos proporciona mayor información preliminar del
paciente, nos permite hacer un mejor
estudio de cada caso y supone una mejora en el seguimiento de la adaptación
de lentes de contacto. Se trata de una
prueba imprescindible cuando hablamos de adaptaciones de lentes de contacto en casos especiales, como córneas
irregulares o tratamientos de ortoqueratología. Hemos de destacar también
la función diagnóstica del topógrafo, ya
que podemos detectar ciertas patologías y anomalías corneales que con las
pruebas convencionales podrían pasar
desapercibidas. Por otro lado, y como
hemos visto en el desarrollo del artículo, la topografía corneal no está exenta
de limitaciones. Por este motivo, hemos
de considerar qué elementos propios de
la anatomía ocular pueden influir en
el resultado final de la topografía corneal. Las condiciones de la lágrima,
ciertas irregularidades corneales y las
opacidades corneales pueden dificultar
la reflexión de los discos de Plácido y,
por tanto, pueden distorsionar el resultado topográfico. Es precisamente la no
constancia de algunas características
fisiológicas (estabilidad de la lágrima,
micromovimientos oculares, no alineamiento axial), sumada a las posibles
limitaciones que puedan presentar la
captura y tratamiento matemático de
la información de cada instrumento, la
que hace que la repetibilidad de las diferentes medidas pueda verse afectada.
En la práctica clínica diaria el profesional deberá considerar los efectos de las
limitaciones de estos equipos, teniendo
en cuenta que se pueden presentar diferencias en los mapas topográficos de las
diferentes medidas tomadas con un mismo equipo y para un mismo paciente.
Además, conocer estas limitaciones permite que el profesional en determinadas
situaciones pueda evitar algunos de estos
efectos asociados a condiciones de captura no ideales y, así, poder hacer una evaluación más satisfactoria. En todo caso,
el estudio de los factores que influyen en
la fiabilidad de estos instrumentos ayuda
al desarrollo de nuevas actualizaciones
en los diferentes equipos disponibles en
el mercado con el fin de mejorar su grado de exactitud y precisión.
Marzo 2011
Topografía corneal mediante discos de Plácido.
Estrategias de optimización de la estimación topográfica
Artículo Científico
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